（材料科学与工程专业论文）介质材料电噪声测试技术及其应用研究.pdf

摘要 随赘噪声理论的深入研究，人们发现低频噪声可以敏感的反映电子元器件的 痰部姣黧，这些蘸貉主要镀旗器尊豹奉孝瓣嫒貉及器箨在裁造或运行期阗产生懿潜 在缺陷，褥电子元器侔的失效太都是由这些缺麓造成的，所戳测豢魄子器件的低 频噪声可以反映其内在质量和可靠性的优劣。噪声测试用于表征电子器件的可靠 性在国际上已经得到了相当广泛的研究和应用，一些常规电子元器件的噪声测量 方法已经魄较成熟，如：m o s f e t 、光电耦合器、薄膜和厚膜电阻、半导体多晶材 粒等。鬃怒避来惩决静噪声测爨淘题秘然缀多，鲡；辍低毫疆( 金聪接皴) 、奔囊 撼辩( 墩容器) 、辍，j 、电流( 爱编半导俸结) 和裰大电流( 功率器律) 等将殊结构器俘。 本文针对介质材料( 电容器) 的噪声测量难题展开研究，主要究成了以下工作： 1 、详细分析了传统噪声测试方法难以胜任介质材料( 电容器) 噪声测量的原 因，并通过深入研究噪声测试及表征技术，设计实现了种电流噪声测试 系统。 2 、使矮电流磲声测试系统对超薄橱s i 。? 介壤层漏电流噪声澜激，发现在小应 力状况下，其噪声谱量现出1 f 噪声特性，并随着电压应力的增加噪声幅 值不断增大；在受到较大应力后，观测到了应力感生的漏电流，并且在应 力感生的漏电流中发现了r t s 噪声。 3 、遴避对辑产生雕s 嗓声售号进行时频蠛懿分耩，谈为隆骥辅助鳆隧穿是 产生r t s 噪声豹主黉驻因是由手应力瑟豹s i 0 ：层孛产生了疆分子空应貉 阱，这些陷阱俘获并发射电子而形成了r t s 噪声；并且发糯二氧化硅层的 张分子空位陷阱与所施加的应力大小荚系密切，随着应力的增大陷阱的数 嫩也会随之增多。 4 、傻瘸该方法对嚣体键电解电容进行了噪声测试，并利熙镌嚷鳐电容的特 煮，设诗了锤电瓣壤豢损镄实验，逶邋嶷验发现，该方法蹲溺予搽嚣壹手 介质层损伤及缺陷非常敏感，损伤后的噪声明显要大于损伤前的噪声，并 熙伴随着y 值的变化。 5 、为了反应交流状态下的钽电解电容的噪声特性，通过模拟电容器的正常工 俸状态，设计了一嵇交流噪声测试方法，实验发现钽电鳃瞧容的分质层损 伤在基建售号静低簇部分反应餮显。 关键词：低频噪声介质材料噪声测试 a b s t r a c t w i t hi n d e p t hs t u d yo ft h en o i s et h e o r y , i tw a sf o u n dt h a tl o w * f r e q u e n c yn o i s ec a n b eas e n s i t i v er e f l e c t i o no f i n t e r n a ld e f e c t si ne l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gm a t e r i a l d e f e c ta n dp o t e n t i a ld e f e c t si nt h ed e v i c ed u r i n gm a n u f a c t u r eo ro p e r a t i o n ，t h ef a i l u r eo f m o s te l e c t r o n i cc o m p o n e n t si sc a u s e db yt h o s ed e f e c t s ，t h e r e f o r e , m e a s u r e m e n to f l o w f r e q u e n c yn o i s eo fe l e c t r o n i cd e v i c e sc a l lr e f l e c ti t si n t r i n s i cq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y n o i s em e a s u r e l t t e n tf o rc h a r a e t e r i z a t i o nt h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i cd e v i c e sh a sb e e na w i d er a n g eo fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nw o r l d w i d e s o m ec o n v e n t i o n a le l e c t r o n i c c o m p o n e n t sn o i s em e a s u r e m e n tm e t h o di sr e l a t i v e l ym a t u r e , s u c ha s ：m o s f e t ， o p t o c o u p l e r , f i l ma n dt h i c k f i l mr e s i s t a n c e ，p o l y c r y s t a l l i n es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s h o w e v e r , t h e r es t i l lh a v eal o to fn o i s em e a s u r e m e n tu n r e s o l v e di s s u e s ，s u c ha s ：v e r y l o wr e s i s t a n c e ( m e t a lc o n t a c t ) ，d i e l e c t r i cm a t e r i a l s ( c a p a c i t o r s ) ，t h em i n i m u mc u r r e n t ( a n t i - p a r t i a ls e m i c o n d u c t o r j u n c t i o n ) a n dt h eg r e a tc u r r e n t ( p o w e rd e v i c e ) ，a n ds oo l l t h i sp a p e rs t u d yo nd i e l e c t r i cm a t e r i a l s ( c a p a c i t o r s ) n o i s em e a s u r e m e n tp r o b l e m ， m a i n l yc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 d e t a i l e da n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a ln o i s em e a s u r e m e n tw h yf a i l e di nm e a s b r e d i e l e c t r i cm a t e r i a l s ( c a p a c i t o r s ) ，a n dt h r o u 豳i n d e p t hs t u d yt h en o i s em e a s u r e a n dc h a r a c t e r i z a t i o nt e c h n o l o g y , d e s i g n e da n da c h i e v ec u r r e n tn o i s em e a s u r e s y s t e m s 2 i nt h eu l t r a - t h i n s i 0 2g a t e d i e l e c t r i c l a y e rl e a k a g e c u r r e n tn o i s e m e a s u r e m e n t s w ef o u n di ns m a l ls t r e s sc o n d i t i o n s , t h en o i s es p e c t r u ms h o w i n g a ，fn o i s ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h en o i s ei n c r e a s ew i t hv o l t a g es t r e s s g r o w i n g i nl a r g e rv o l t a g es t r e s s ，o b s e r v e dt h es t r e s s i n d u c e dl e a k a g ec u r r e n t ， a n df o u n dr t sn o i s ei nt h es t r e s s - i n d u c e d e a k a g ec u r r e n t 。 3 b ya n a l y s i st h er t sn o i s es i g n a li nt i m e f r e q u e n c yd o m a i n ，w ef o u n dt h a tt h e t r a p a s s i s t e dt u n n e l i n gi st h er e s o nc a u s e dr t sn o i s e , s t r e s sp r o d u c e dt h es i 0 2 l a y e ro fs i l i c o ns p a c et r a p s ，w h i c ht r a pa n de m i t t i n ge l e c t r o n i c sc a u s e dt h er t s n o i s e ；a n dw ea l s of o u n dt h es i l i c o nv a c a n c yt r a p si nt h es i 0 2l a y e ra s s o c i a t e w i t hv o l t a g es t r e s s w h e ni n c r e a s eo fv o l t a g es t r e s st h en u m b e ro ft r a p sw i l l a l s ob ei n c r e a s e d 4 w ea l s om e a s u r en o i s ei ns o l i dt a n t a l u me l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r sb yt h i sm e t h o d ， b yd e s i g n e dd i e l e c t r i cl a y e rd a m a g ee x p e r i m e n t s ，a n dc a nf o u n dt h i sm e t h o di s v e r ys e n s i t i v et od e t e c td e f e c t si nd i e l e c t r i cl a y e r ，n o i s ea f t e ri n j u r yh a v ea b i g g e ra m p l i t u d ev a l u et h a nb e f o r e , a n dt h ev a l u e0 4c h a n g ec l e a r l y 5 。i no r d e rt of o u n do u tt h ei n f l u e n c eo f d i e l e c t r i el a y e rd a m a g ew h e nw o r ki na c s t a t e w es i m u l a t i n gt h en o r m a lw o r ks t a t eo f c a p a c i t o r s ，d e s i g n e da k i n do f a c n o i s em e a s u r em e t h o d , f o u n dt h a tt a n t a u me l e c t r o l y f i cc a p a c i t o rd i e l e c t r i cl a y e r d a m a g e 穗t h el o w - f r e q u e n c yp a r to f t h er e f e r e n c e 惑翻越r e n e t i o 馥o b v i o u s k e y w o r d s ：l o wf r e q u e n c yn o i s e d i e l e c t r i cm a t e r i a l sn o i s em e a s u r e m e n t 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：圣挞日期：沙2 、3 p 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名： 至挞 导师签名日期：垆孑j 。t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电子元器件低频噪声测量意义 随着电子器件朝着高性能、小尺寸和长寿命方向发展，传统的寿命试验可靠性 评价方法的局限性日益显著。近年来得到的大量研究结果表明，对于大多数电子器 件，噪声是导致器件失效的各种潜在缺陷的敏感反映。电子噪声的低频部分可以用 来表征器件的质量和可靠性，目前将器件的低频噪声测试作为一种微电子技术可 靠性评估手段已越来越受到人们的青睐1 】【2 】【3 4 】【5 】。噪声已经成为电子元器件可靠性 评价与筛选的一种简单而有效的新手段。作为一种可靠性表征手段，电子元器件 的低频噪声可靠性表征技术具有以下几个特点： ( 1 ) 普遍适用性。几乎所有类型的电子材料、电子元器件和电子整机中都能 观察到电噪声现象。电噪声根据其形成机构可分为白噪声和过剩噪声。其中，白噪 声与频率无关，主要由材料或器件的本征性质决定；过剩噪声则在低频下非常明显， 亦称低频噪声，通常包括1 f 噪声和g - r 噪声，主要由材料或器件的不完整性决定，大 量研究已经证明，绝大多数不完整性( 尤其是潜在缺陷) 的存在都会引入过剩噪声，而 且噪声大的器件，可靠性必然差。 ( 2 ) 高度灵敏性。噪声实际上是系统偏离平衡状态程度的一种度量。当器件 的微观结构、电子状态或杂质分布随时间的延伸或受应力的作用而有微小变化( 甚 至是原子尺度的变化) 时，噪声都会有明显的变化。在同一设计和工艺条件下同 批制造出来并已通过常规检测的器件中，噪声的差距却很大，这就是噪声对杂质、 缺陷和损伤敏感性的一个佐证。 ( 3 ) 非破坏性。噪声测量所加的电流和电压，非常接近于或远远低于器件正 常工作的应力水平，故噪声测试是无损的。通常用于可靠性评估的加速寿命试验 方法，需要加高温或强应力，难免会给器件造成损伤。 ( 4 ) 检测速度较快。噪声检测属于电学检测，不仅对环境和检验条件要求不 高，而且与一般的可靠性评估实验相比检测速度较快。 正是由于具备以上突出的优点，噪声作为电子元器件可靠性的表征方法和电 路模块的诊断检测工具在国际上已经得到了相当广泛的研究和应用。到目前为止， 有关此方面的研究仍是一个非常活跃的领域，而且尚待解决的问题仍然很多，比 如极低电阻( 金属接触) 、介质材料( 电容器) 、极小电流( 反偏半导体结) 和极大电流( 功 率器件) 等特殊器件结构的噪声测量也是有待解决的问题。 尤其是随着集成电路工艺的不断发展，微米、亚微米工艺技术的日益成熟， 2介质材料电噪声测试技术及其应用研究 s 集成电路的集成度大幅度提高，使得栅氧化层的厚度也要相应碱小，而这种减 套已经接遥二襞赣：硅器蕊瓣介质层豹魏瓒缀袋。氧像艨淳凄减小会经哥靠蛙耪旋 降低，正因为这样，近几年来，人们对氧化物介质薄膜( d o , l o n m ) 退化机理的研 究非常关注。并且发现了两种经典现象：威力感应漏电流( s i l c ) “1 和软击穿( s b d ) “3 。尽管对艨力感应潺电溅，软击穿髂释模型未被大家公认，但多数研究者认必 这些现象是由戴亿层和应力下s i - - s i 侥瑟瑟的隧道效疲所弓l 起静。褥在大多数慵 况下，实验可以估测和描述这些结构的可靠性，主甍是通过在固定电压下，监测 戴化层在使用辫命内的电流隧道效应，生要使用安培计或参数分析仪对这些现蘩 逐霉整溅分援，毽是这些簧绫懿溅试手羧摇缮频率低，豢宽缓搴，楚多足珏z ，蜀 熊会漏掉一些微观现象，已经不能满足进一步研究的浠要。 幸运的是低频噪声测试技术对这些现象非常灵敏并且有着足够高的带宽，谯 这些领域内菲常逶雳。一黧耀黄统技本不能双测鲍现象，用低频啜声测试技术珂 以缀明显的懿测到。例如用于监测m o s 器侔损毁髓，器侔退化过程的各个阶歉 物理现象，这可以帮助我们隧分和判断解释该现象的众多物理模型的正确合理性。 这藏需要我们解决一个噪声测量的难题，即介质材料( 电容器) 噪声冉勺测量。 在我嚣，瓣蔻无论是农噪声懿萋礁磅究方瑟，还建在羝额噪声溯试系统与器 件的研制方面，都十分薄弱。对于电予冗器件低频噪声的测试方法上，国内还魑 处于比较落后阶段。本文通过对电子噪声测量技术基础理论的详细研究与分析， 绘毽了一些电子噪声测试瓣基本理论与方法。在越蒸磷上，铮对食展聿孝辩噪声测 试的待点，设计并实现了全新的电流噪声测试系统，并遂过该方法辩钽电容及怒 薄栅氧m o s 器件进行了噪声分析。 2 全文蠢容安排 本论文主骚内容安排如下：第二章主要介绍电予元器件低频噪声测试方法， 靓援对器薛噪声分辑野捷趱豹数学知识，毫子元器l 譬低频噪声的特点及分类。第 三章主要描述介质嗓声测麓系统方案设计与系统实瓒。第四章分别对超薄襁裁 m o s 电容及固体钽电解电铎进行了噪声测试，并进行了讨论分析。第五章论文总 结。 第二章噪声理论基础及一般测试方法 第二章噪声理论基础及一般测试方法 本章主要阐述了噪声的数学基础、分类、1 ，f 噪声的特点与应用，对基本的噪 声测试方法做了简单的介绍。 2 1 1 噪声的数学基础 2 1 噪声的理论基础 噪声起源于物理量的随机起伏。既然它是随机变量，那么在任一瞬间都不能预 知随机变量的精确大小，但是大多数随机变量遵循一定的统计分布规律，随机变 量的统计平均值恒为零，故多用均方值来表征其大小。 形成噪声的物理机构通常称为噪声源。如果噪声源的性质不随时间变化，那么 表征该噪声源的随机变量的统计特性也不随时间变化，这种变量称为平稳随机变 量，电子器件中的噪声基本都属于平稳随机变且【1 5 】【。 概率密度函数与平均值 对于连续随机变量x ，设它在x 与x + d x 之间取值的概率为 d p ( x 1 = p ( x ) d x ( 2 - 1 ) 则称p ( x ) 为x 的概率密度函数，通常也简称为“几率分布”。对于平稳随机变量， 在任意时刻t ，均有p ( x ，t ) = p ( x ) 。p ( x ) 应满足归一化条件，即 l p ( x ) d x = 1 ( 2 2 ) 积分范围应包括x 的所有可能取值。若已知概率密度函数p ( x ) ，就可求出各种统 计量。 对于离散随机变量n ，设p ( n ) 是值n 出现的概率，则连续随机变量的有关 定义也同样适用，只是以求和代替积分。根据概率密度函数的不同，可以有二项 式分布、泊松分布和正态分布( 也称高斯分布) 。电子器件中的大多数随机变量服 从正态分布，其概率密度函数为 m ) = 去e x 卅垒】 ( 2 - 3 ) 式中，仃2 = 伍一工) 2 。对于这种分布，随机变量幅度在9 9 7 时间内的取值落在仃 之内。 4 介质材料电噪声测试技术及其应用研究 髓机函数f ( x ) 的时间平均值的定义为 1 计 ，砖) = l 溉。【f ( x ) a t ( 2 - 4 ) ” 若随机堂f ( x ) 的时间平均值与统计平均值相等，即( ，( x ) ) = 厂( 功，则称该随机 量具肖遍历性，就意味着该随机量在长时闯内不同时刻的所有可能取馕的概率与 在鋈跫嚣麴懿爨鸯聪麓取蓬豹缓率是葙弼戆。耄子器终孛豹绝大多数夔瓠变量( 奄 噪声) 都具有遍历性。在计算嗓声时，常常采用统计平均值，在测量噪声时，则 采用充分长时间的时间平均。 囊攘荧丞数与功率谱密度 统计平均量x ( t ) x ( t + f ) = r x p ) 称为随机交羹x 的鸯相关函数。它蹙t 对亥的随 机量数值在此时刻厝能够持续多长时间的度嫩，反映了随机量在不同时刻数值之 间的嘏关性。平稳髓机量的自棚关函数显，( r ) 具有以下性膜： ( 1 ) r x ( 心哭与霹瓣差t 有关，与诗算爵阗灏起点无关。 ( 2 ) 心( f ) 或者怒。的一个6 硒数，即r ，( f ) = 彳j ( f ) ，臼噪声就是这种情况；或 者是t 戆连续丞数，这簿爱羚) = x 2 。 ( 3 ) r x ( f ) 关于t 对称，即满足r ，( f ) = r ( - r ) 。 谈x ( t ) 为一个平稳随规变蓑，在时阉区闼o t t 内，可将x ( t ) 媸对立时 级数媵开： x ( f ) = e x p ( j r o 。f ) ( 2 5 ) 式审，赫_ 2 t 为角频率，n 为整数。信立时鹱开系数冒袭示为 ”专r 础) e x p ( 一j c o t ) d t ( 2 - 6 ) 噩| jx ( t ) 静功率落密度定义为 叉= l i m r 。2 t a 。a ： ( 2 - 7 ) 式中，f 为频率，a n 表示a n 的复数共轭值。啜声的功率谱密度也称为谱强度或频谱 密度。 根据维纳辛钦定理，随机变量x ( t ) 的自相关函数鲰( t ) 与功攀谱密度s ， ( f ) 之间满足下列关系： 鼓( ) 2 2 j 二墨( 咖啾0 2 毋协= r ；( r ) c o s 2 x f r d r ( 2 - 8 ) 疋( f ) 。j 。鼠u ) c o s 2 斫彤 ( 2 _ 9 ) 第二章噪声理论基础及一般测试方法 5 也就是说，s 。( f ) 是2 r x ( t ) 的付立叶变换，r x ( t ) 是s ，( f ) 2 的付立叶逆 变换。 根据r x ( t ) 的定义，令式( 2 9 ) 中的t = o ，得 而：r，(，)dfx2 s d f ( 2 1 0 ) ( f ) = i 。 ，( 厂) ( 2 1 0 ) 可见，s ；( f ) 的物理意义是在频率f 附近单位频宽内起伏量x 的均方值。当噪声 测试带宽f 很窄时，由式( 2 1 0 ) 可知 s ，( 厂) = 石2 a t ( 2 - 1 1 ) s ，( f ) 随频率f 变化的曲线就是通常所说的噪声频谱。 r ；( f ) 表示平稳随机变量x ( t ) 在时域的统计量：s ；( d 则表示x ( t ) 在频域的 统计量，它表示了随机信号的各个频率分量所包含的强度。 噪声量的叠加与相关 由于随机变量通常用均方值表示，所以若有两个随机变量x l 和x 2 相加，则合 成变量应为 ( _ + 工2 ) 2 = x 2 + 2 一x l x 2 + x 2 2 ( 2 1 2 ) 若x l x 2 = 0 ，则称x l 和x 2 不相关，即两者各自独立产生：若五x 2 0 ，则称x l 和 x 2 相关，即两者之间有一定的依赖关系。计算证明，如果把两个本来完全相关的 噪声量看作是统计独立的，这样带来的误差不大，因此，作为工程计算，在考虑 噪声量的相加时，可近似的将相关性略去。 二端元件噪声的表征 任何一个二端元件( 如电阻) 在给定温度和带宽内的噪声，可以用一个与该 元器件的导纳y 相并联的噪声电流源，。= 、f 2 来表示，也可以用一个与该元器件的 阻抗z = 1 y 相串联的噪声电压源e = 4 e 2 来表示，见图2 1 。 为了研究或测量方便，二端元件的噪声还可分别用等效噪声电流i 。、等效噪声 ( 无噪声) i | | ( 无噪声) u i n 人 ue l l ( a ) ( b ) 图2 1 二端元件噪声模型 ( a ) 噪声电流等效电路( b ) 噪声电压等效电路 电阻或电导g n ，以及等效噪声温度t n 来表征。这些参数的定义分别由以下三 6介质材料电噪声测试技术及其应用研究 式给如： 露= 2 q i , e a f 或= 4 k t r 。a f i ：= 4 k t g v ( 2 - t 3 ) ( 2 1 4 ) 爨= 4 k r n a yi ：。4 配毛8 弩1 5 ) 式中，q 为电子电壁，t 为绝j i 寸温度，a f 为噪声带宽，k 为玻耳兹曼常数，r 和g 分别为二端元件的电阻和电导。k 、t n 、g n 之间满足下列关系： 墨；鱼：墨：墼墨 ( 2 ，1 6 ) 丁g兄2 竞r 2 。i 2 噪声分类与1 f 噪声 电子器件中的噪声，一般鼹按照物理机构的不同来分类的【”，可分为热噪声， 敷粒噪声，g - r 噪声和1 f 噪声网太类，见图2 2 。 ，j 约翰逊噪声 f 热噪声飞扩散噪声 r 白噪声1低频教粒噪声 l l 数粒噪声 l 高獗教缎啜声 噪声1 。啦f g ，噪声 萎衾鬈； i 低频噪声jg r 噪声3 葬菱溪声 、有色i 渊声 萋主嚣囊声 般的频率范潮内，熟噪声和教粒噪声的功率谱密艘与频率无关，统称为自 嗓声。1 f 噪声藕g 噪声赠与额率有关，蘸者与频率成反院，蓐者鲻按1 o + ：产蕊， 规律变化( 其中而为转折频率) ，统称为有色噪声。由于这两种噪声通常在低频情况 下鼹蔫，也称为低频噪声。 熬臻声趁源予蠡俸孛鼗浚孑瓣淹鞔热遮麓，广泛存巍予各耱毫辍糕元器罄之 中。热噪声的太小只与电阻葶温度有关，鄄便没有电压和电流，也同样存在；散 粒嗓声、g - r 噪声和l l f 噪声则与器件的电流和外加电聪肖关，一旦电流或电压消 失，这些噪声也簸不复存在。 散蓰噪声怒源于载流予跨蘧势垒的随梳经，因j 毙哭存在于载流予运动受控予 某种势垒的器件中，热噪声和散粒噪声是器件的基本工作原理决定的，从本质上 第二章噪声理论基础及一般测试方法 看是不能彻底消除的，而g - r 噪声和1 f 噪声在很大的程度上是器件的杂质与缺陷 引起的。从这个意义上讲，低频噪声往往反映了器件内在质量和可靠性的优劣。 电子器件的噪声通常由白噪声，1 f 噪声和g r 噪声三种分量构成。其功率谱 密度可写成为： s ( ) = a + 8 厂7 + c ( 1 + ( f f o ) 8 ) ( 2 - 1 7 ) 共有六个表征参数，即白噪声的幅度a ，1 f 噪声的幅度占和频率指数因子j ， g - r 噪声的幅度c ，转折频率石和指数因子a 。不同的噪声分量以及各个分量的不 同表征参量往往具有不同的物理意义，对应于器件的不同结构特征和缺陷量。因 此，从实测噪声频谱中分离出各种噪声分量，并精确地确定各个分量表征参数的 值，是对器件进行噪声物理分析的前提。 与热噪声、散粒噪声和g - r 噪声相比较，l f 噪声研究有着更为重要的学术意义 和更大的应用价值。从广义上讲，凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象 均可称为i f 噪声，即1 噪声，y = 1 时为基本的1 f 噪声，y 1 时为非基本的 1 f 噪声。 1 f 噪声具有两个基本特征： ( 1 ) 在一个相当宽的频率范围内，l f 噪声的功率谱密度与频率成反比。 ( 2 ) 1 f 噪声电压或电流的功率谱密度近似与通过器件的电流的平方成正比。 1 f 噪声主要有表面载流子数涨落模型和迁移率涨落模型两种1 2 】。大量实验表 明，半导体器件的表面状态对其1 f 噪声有关键影响。1 9 5 7 年，迈克霍特 ( m c w h o r t e r ) 提出了表面载流子数涨落模型【1 2 1 ，对半导体的l l f 噪声的起因首次 作了解释，他认为这种涨落是由半导体导带或价带的载流子通过隧道贯穿与表面 氧化层中的陷阱相互作用引起的。位于半导体氧化物界面附近几个纳米范围内的 氧化层中的陷阱与半导体内交换载流子的时间常数，可在一个相当宽的频率范围 内分布。已测得的范围达1 0 4 至1 0 5 秒，这个范围正好与观测到的i f 噪声的频率 范围( f = - l o h z 1 0 5 h z ) 相一致。氧化层陷阱可与半导体体内交换载流子，直接引起 半导体导带电子或价带空穴的涨落。1 9 6 9 年胡格总结了对于各种金属和半导体电 阻中1 f 噪声的测量结果，提出了一个著名的经验公式： 曼幽：鱼趔：堕 ，2 r 2 r 2 - 】8 、 称为胡格公式。式中，i 是通过样品的电流；r 是样品的电阻；n 是样品中的 载流子总数；2 厂以，( 厂) h 2 ，是由迁移率涨落决定的。在分别用体迁移率涨 落模型和表面载流子数涨落模型对许多具体材料和元器件进行计算，并与实测特 性相比较后，大家倾向于这样认为：通常这两种机构同时存在，究竟哪一种机构 介质材料电噪声测试技术及其应用研究 占圭导魄位，登籁用实验采确定。誉迸，在大多数情况下，廷有遴过改交器俘结 构或改簿表面状况，使表西载流子数涨落引起的1 f 噪声降低到可以忽略的獠度以 蓐，迁移率涨落才藏为l 篷嚷声懿圭簿穰梅。 电子器件中1 f 噪声电膳的功率谱密度可写成以下形式： s 。0 翁= 越o | t 知1 9 ) 式中，为通过器件的电流，厂为频率，参数一由器件结构特憔决定；常数， - - 0 8 1 。2 ，典型燕为l ，o - 芦磁。o 均匀耪糕) 或1 0 - 2 o ( 缝秘较复杂戆器终) 。经典静 方法用功率谱密度和，指数表征信号，前者反映了信号的能量，簸者反映了信号 的频率特性和分形性质。 2 ，2 电予元器件低频噪声检测基本原理 电子器件低频嗓声的测试，就是诖器件工佟在一定静电应力下，并通遥特定的 电路将噪声序列舢w 信号从器件工作电路中摄取出来，对此序列进行放大、采集， 最瑟利援频谱致域鑫摈纹嚣怼嚣褥露列进行辩域窝频域分辑。疆镬电应力霹以是 直流电威力，也可以是交流电应力。通常我们厢其功率谱密度函数t j ，( 频率f 附近单位频宽内c | 句噪声起伏量电压v 的均方假) 来表征噪声。因为电子元器件低 电子来代替，繇驻其自褶关豳数颓嗓声序列大帮努为平豫缱辊穿确。对于薯置稳睫 机序列，功率谱密度函数uj 可以通过对噪声序列自相关函数的傅利叶变换得 劐。图2 3 为一个典型熬电譬噪声绩号的酵阋露列，因为对手平稳戆枧序列箕孵闻 平均值w 以用统计平均值 对于平稳随机序列 图2 3 电阻噪声时间序列图 也( f ，f ) = 嚣( 善( ) 工9 十f ) ) ( 2 - 2 0 ) 致辑f ) ；怒( f ) ( 2 - 2 1 ) 第二章噪声理论基础及一般测试方法 9 噪声信号功率谱通过自相关函数傅利叶变换得到 ( 厂) = 二疋。弦2 斫打( 2 - 2 2 ) 图2 4 为通过上述计算所得对应功率谱密度波形，谱图是以双对数坐标给出 的，从中能够看出信号强度与频率的近似反比关系。通过功率谱图可以提取电子 器件噪声的具体参数。 、 h，、m 擘、 1 啷嘲 霉 l ，舭 ，i 1 - 皿蛐一 1 图2 4 电阻1 f 噪声功率谱图 2 3 电子元器件噪声的一般测试方法介绍 电子元器件噪声的测量方法，常用的是对其电压变化量时间函数v o ( t 1 进行提 取，下面我们对常用的方法进行简要的介绍总结，按照噪声的提取方式来分主要 分为：直流偏置测量技术和交流技术。 2 3 1 直流偏置噪声测试技术 直流偏置测量技术是噪声测试的最基本的方法。对于一个二端电导型元器件 噪声测试的核心思想是非常简单，可以如下图2 5 一个四端口测试原理图来表示： 图2 5 简单的直流噪声测量 a目b l o 奔覆耪辩恕臻声测试技拳及冀瘦撵骚究 电流i 从a 经过所要测量的器件到达b ，通过c ，d 两端接出的引脚我们可以 测量该器件的噪声。c ，d 两端所测得的电压的波动，看似是由于器件改变而产生 的效应，其实是电阻噪声作用的结果。该噪声的功率谱可以通过过谱分析仪采集， 经f o u r i e r 交羧缮到。该方法存一个骥显懿袋貔，啜黟魄基e 与毫阻本努产生逛压 2 1 m “桷比就会显的非常的小，而我们测璧所得到的是总的电压 圪r2 ( 屯r y + e 2 ，当噪声电服的波动很小时，将袅被完全湮灭。 一般情况下我们通过加入藕合电容来解决这种阏蹶，图2 6 为一种鬻单实用的 麦滚璃霉缀零测羹系统潮，强孛榉燕由低噪声电港缀镶邀，矮台毫套耱撵菇曝声彦 列f ) 送至低噤声前置放大器中，经过数据采集卡采繁，利用计算视虚缀仪器对噪 声序列进行处理获得噪声序列的囱相关函数r ( f ) 和功率谱密度( ，) 。这种方式 简单且易于实现。实验中，整个系统应被放入屏蔽象中以保证噪声测擞不受外界 的电磁干扰影响。 ：氍瘫壤鞋 厂1 一 抒臀壤嚣擞伉 嚣溉壤彖绝 |孵薯i 链瞪宵静 l l ll l 艘走嚣 l- 图2 6 筒单直流偏置噪声测爨系统 透过采蠲戴噪声毫池组，低骥声金霾线绕电疆，充分豹焊接以降低壤鬟毫路 其它元律产璧静噪声对样品嗓声溅鲞静影响；逶遥逡撵合适的德萋毫流、溺试环 境温度、低嗓声前置放大器等等，如果需要也可以增加阻抗匹配变压器以便可以 较高的精度测甓电子元器件低频噪声。这种简单的随流偏置噪声测量技术具有以 下两个个缺点： 、电子燹传低频噪声测试熬鼹低频率受至l 藕合彀农0 昶低噪声懿嚣教大器输 入阻挠嚣；。缀成既您c 滤渡器最低簿遴频率蔽裁。 2 、噪声测试的灵敏度受到鬻袋噪声( 在低频范围内主要由前置放大器背景噪 声组成) 鼠( ，) 最小值限制，鼠( ，) 远大于器件热噪声幅度。 虽然简单的直流偏置噪声测燃方法具有以上几个缺点，但是因为箕简单易操 终性，当电予元器锌噪声较大( 鼓，( 厂) 21 0 。7 矿2 肛艮) 瓣都采雳这一方法f 1 5 】。 第二章噪声理论基础及一般测试方法 1 1 另外，还有一种平衡桥法可以很大程度的消减电子元器件本身阻抗所带来的 影响，但是这种方法对测试样品的结构有特定的要求，需要将样品分成基本相同 的两个部分。平衡桥电路结构示意图如下所示i l o 】： 图2 7 平衡桥电路 在该电路中r b 为稳压电阻，它为测试样品r s 提供一个稳定的源电流。r b 与r s 的关系为r b 约为1 0 倍的r s ，同时我们需要保证在稳压电阻r b 上的噪声与样品 r s 上的相比必须非常的小。通过v i d 提供一个稳定的d c 电源。调解可变电阻r v ， 使v 。与v b 两端的平均电压等于零，这样我们就可以测量v a b 两端的噪声电压： v a b = v a v b = 2e 。 2 3 2 交流锁相噪声测试技术 直流偏置测试技术的最大缺点是前置放大器的背景噪声过大，因为最好的差 分放大器工作在d c 状态下的噪声与它们工作在交流状态下的噪声相比也是非常 巨大的，而当它们工作在交流状态下时几乎是无噪的。为避免d c 放大所带来的噪 声，我们输入一个交变的v i l l 来驱动桥电路，并使用锁相来探测，解调噪声。测试 原理图如图2 8 所示： 锁相放大器的输出信号的功率谱如( 2 2 2 ) 式所示 ，( 厂，占) = g 0 2 【品。( 五一) + ( 。2 ) s ，( f ) c o s 2 ( 6 ) 】 ( 2 - 2 2 ) 其中，品o ( 五一厂) 为背景噪声功率谱，k 为偏置电流有效值，厶为偏置电流 频率，厂为噪声信号频率，s ，( ，) 为电阻涨落功率谱，艿为输入锁相放大器电压函 数相位角，s ( ) = l 。2 ( 厂) 就是样品的电压噪声功率谱。如果前置放大器噪声或 其它噪声较低或可以准确的估算和去除，j h s o n 噪声( 乱oz4 k 。t r 2 1 ) 就是低频 背景噪声的主要成分。因为样品被分为相同的两部分，分别作为交流电桥的两臂， 而这两个桥臂上j h s o n 噪声大小近似相等，因而通过电桥平衡的方式提取样品噪 1 2介质材料电噪声测试技术及其应用研究 声时样品上的j h s o n 噪声被抵消。 l e k - l a a m 蛸l l t t r k l 孽, 蕊妇 翻2 , 8 交流锬捆测试原理围f 州 溢8 - - o 露，( 厂 o ) 舒= 品。+ s ( ，) ，锁裙放大器输出信号龟含了样品噪 声和背景噪声；溺拶= 詈时，争g 0 2 = 昂。，锁褶放大器输出倍号仅包含了 鹜豢噪声。这襻避_ l 霪对两次赣彼惫下嗓声凌拳谱篷槎减，我锅霹骧壤撩逢褥到样 品的噪声。 这种低频噪声的交流锁柏电桥测试方式鼠然可以有效的消除背景噪声甚至热 噪声( j h s o n 臻黟) 对群品骧筘熬影确，尼乎没有于毫| | i 壤溺量凄毫予嚣器锋懿低 频噪声，但是因为要在电桥平衡的情况下谶行，而要使电桥完全平衡并不是件很 容易的事，加上袋通过探针将样品电阻平分也比较困难，所以在一般的情况下， 只要榉瑟噪声不娥特别低，都不采露这秘方法进季亍噪声测鲎实验。 2 3 3 双通道噪声测试技术 双逶道臻声溺渡投本基予纛浚偏重溺爨羧零懿灵活运羯，投撵数学孛熬稳关 性理论，假设我们有两组随机过程函数墨及r ，那么它们之间的相必性可以表示 为： ( f ) = 。l i m 。- - 刍癣) y # 一r 渺 而对予具有各态缀历的随机过程其有如下怯质 ( 1 ) ( f ) 、段( f ) 只与时间差t 有关，与计算时间的起点无关 ( 2 ) 鬈f ) = 0 叮 ( 3 ) | o ) | 9 0 可丽丽，当两个随机过程互不相关矸重，则一定裔稽关函数结 果为0 。因此，蓿被检测信号与系统的观察噪声之间不存在相关性，则可采用互相 第二章噪声理论基础及一般测试方法 关方法可以抑制观察噪声。 基于以上理论可以设计双通道噪声测试技术，进一步提高测试的精度，降低 本底噪声的影响，具体方案如下图所示： 一一ampurers$ubiracion啦i i 型i y 图2 9 双通道测试方法 这种方法的核心思想是，将所采集的噪声信号通过两个独立的放大器进行放 大，两个放大器独立供电，因而它们的本底噪声是不相关的，放大结果为： lx i ( t ) 2 c ( t ) + u 1 ( t ) 【x 2 ( t ) = “t ) + u 2 ( t ) 其中“t ) 为器件产生的噪声信号，u l ( t ) 与u 2 ( o 为我们需要去除的放大器本底噪声。 由于采用两个不同的放大器，所以u l ( t ) 、u 2 ( t ) 完全不相干，在时域将信号进行加 减可以得到： f “t ) ：2c ( t ) + u l ( t ) + u 2 ( t ) 【s ( t ) 5u i ( t ) + u 2 ( t ) 接着将撕) 与s ( t ) 进行频域变换可以得到如下结果： is a ( f ) - = 4 s 。( f ) + s 。l ( f 卜s i l 2 ( d 【s b ( d 2 s 。1 ( 铲s l l 2 ( f ) 在将两式相减，并除以4 ，就可以得到我们所要测量的噪声信号s 。( f ) 。这种方法 可以很大程度上的减小本底噪声对测量带来的影响，提高测试的精度。 2 4 电子元器件低频噪声测量系统实现原则 对于一个特定的电子元器件，应该如何考虑并设定其低频噪声测试方案呢， 下面给出几条设计原则： 1 分析待测电子元器件工作参数，这是噪声测试方案设计首先要进行的一 步，也是噪声测试方案设计极为重要的一步，只有了解电子元器件工作参 1 4 介质材料电噪声测试技术及其应用研究 数，才有可能搭建合邋的偏置电路。 2 。分耩与褪步溯定待涎壤予元器箨低獭壤声溪度大套。 3 考虑是否需要解决阻抗匹配问题。 4 放大系统背景噪声测试。 5 ，裰撂臻鸯炭验设备确定噪声测试方案。 实验方案确定后必须对噪声测凝结果是否为所求器件噪声进行分析 第三章介质噪声测试方案设计与系统实现 1 5 第三章介质噪声测试方案设计与系统实现 3 1 介质噪声测试实验技术 3 1 1 介质噪声测量的难点 第二章我们介绍了一般噪声测量的方法，这些方法主要适用于阻抗型元器件， 如：薄厚膜电阻、电迁移样品、多晶硅材料、m o s f e t 开启状态下源漏之间的噪 声，并且已经得到了较为广泛的应用。相对于阻抗型电子元器件的噪声测量，介 质噪声的测量有其特殊的地方。介质材料元器件，例如各种电容，并非理想的绝 缘体，在电场作用下均有一定的电流通过，此为电介质的电导，所以我们可以把 介质材料元器件看作是极高阻值的电阻，当又不能当作纯阻抗型元器件来进行噪 声测量。限于介质材料( 电容器) 的结构及实验条件，我们只能采用第二章介绍 的第一种测量方法即简单直流偏置噪声测试方法。 经过实际测量发现所要测量的噪声完全湮灭于放大器的背景噪声中，无法提 取。总结原因，介质材料噪声测试的难点主要是以下两个个原因： ( 1 ) 在介质元器件在正常直流偏置的条件下，本身产生的噪声信号非常小， 并且容易受到外界的干扰的制约，难以提取； ( 2 ) 阻抗匹配对介质材料噪声测试的影响非常巨大。 以下讨论阻抗匹配对介质噪声测试的影响。为了能够合理的放大噪声产生的 微